太阳表面惊现巨型黑子群和巨型暗条

太阳表面惊现巨型黑子群和巨型暗条

(美国哈佛－史密松天体物中心田晖研究员供稿，中国科学院云南天文台林隽研究员整理)

大家所熟知的太阳黑子是太阳大气中磁场最集中、也是磁场最强（一般在1000高斯以上）的区域，是太阳活动区的核心成员；标志着太阳剧烈活动（或爆发）的太阳耀斑和日冕物质抛射（英文简称，CME）就往往发生在太阳活动区当中或是周围。大的活动区经常会有多个黑子聚在一起，称为黑子群。太阳耀斑是太阳上能量瞬时剧烈释放的过程。根据X射线流量增强的程度，耀斑由大到小可分为X级、M级、C级等。大的活动区往往是太阳耀斑频繁发生的区域。由于是太阳爆发最主要的源区，活动区一直一来受到太阳物理和空间天气（指地球大气以外的周围空间环境）研究人员的密切关注。

而太阳日珥（或暗条）则是一团冷（温度为1万度左右）而致密（粒子数密度为1012 cm–3左右）的被磁场裹缠的气体结构悬浮在热（温度为100万度左右）而稀薄（粒子数密度为1010 cm–3以下）的日冕当中。磁场产生的浮力克服了这团致密结构的重力，使之能够悬浮在稀薄的日冕当中，同时磁场也隔绝了它与周围环境的热交换，使之不会弥散在周围的日冕当中。当这团气体投影在日面上时，其中物质的低温使得它的辐射比周围环境弱，所以看上去是暗结构，被称为暗条；而当它出现在日面边缘以上时，它的辐射又比太阳边缘以外的背景强，因此看上去是亮结构，被称为日珥。因而，暗条和日珥是太阳大气中的同一种客体因表现不同而得名。暗条当中的磁结构也会因为不稳定性的出现而发生爆发，由此引起的爆发同样会产生太阳耀斑和CME，因此，暗条，特别是巨型暗条，也同样受到研究人员的密切关注。

图1：SDO飞船上搭载的HMI仪器拍摄的太阳白光照片，显示了太阳低层大气——光球的辐射结构。太阳表面上黑色的区域是太阳黑子，其辐射弱，但磁场强。活动区12192即为该图中间偏下处的黑子群所组成的。图像来源：SDO飞船官方网站http://sdo.gsfc.nasa.gov/。太阳像中间的那个小图显示的是地球，用来做尺寸对比。

       本周太阳上出现了一个超大的活动区，根据美国大气海洋局(NOAA)的命名，它被称为活动区12192。该活动区内发现了数十个黑子，10月22日黑子数量达到66个，可称得上超级黑子群。根据NOAA下属的空间天气预警中心(SWPC)提供的信息，该黑子群的表面积到10月23日已达到太阳表面（正对我们的一面）总面积的0.27%左右，大约是地球表面积的15倍。据此，活动区12192已成为第24太阳活动周（约从2008年到2019年）最大的黑子群，同时也是近24年来最大的黑子群（图1）。其中最大的一个黑子面积达到地球表面积的大约两倍，据称在地球上用肉眼可见（需要带特殊的看太阳的眼镜，以防止眼睛受到损伤，比如日食眼镜、巴德膜等）。

    活动区12192自10月18日在太阳表面上出现后，到10月25日24时为止已经产生了两个X级耀斑、十个左右的M级耀斑（图2），以及三十余个C级耀斑。其中，发生在22日14时28分左右的X1.6级耀斑（图3）已导致国际上数个短波通信系统瞬时中断，它对卫星运行以及其它高技术系统的影响正在评估中。伴随着这些耀斑，部分高温等离子体物质被以每秒数百公里的速度从太阳上抛射到行星际空间（即CME）。幸运的是，到目前为止，这些CME运行的方向都是偏离地球的，还未对地球产生任何可探测到的影响。

  

  

图2：中国科学院云南天文台抚仙湖太阳观测基地的新真空太阳望远镜（NVST）于2014年10月25日观测到的一个M级耀斑。NVST主页http://fso.ynao.ac.cn/。

  

图3：IRIS卫星观测到的X1.6级耀斑明亮的双带。双带是耀斑产生的高能粒子打向太阳低层大气形成的。图中黑点是探测器上的灰尘。  IRIS主页http://iris.lmsal.com/。

  

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  图4给出了活动区12192周围的磁场分布特征。看上去周围的磁场经过上一次X1.6级的耀斑之后，仍然十分复杂，因此再次发生较大爆发的可能性仍然存在。根据NOAA/ SWPC的空间天气预报，在未来的几天里，活动区12192仍将可能产生大的X级和M级耀斑（截至发稿前的两个小时前，即2014年10月26日北京时间18：57，又一个X2级耀斑在这个活动区中发生了！）。由于目前该活动区已经跟着太阳自转到了太阳表面的中心附近，因此与耀斑伴随的日冕物质抛射很有可能会朝向地球运动。如果抛射物质到达地球轨道，与地球的高层大气相互作用，则会产生绚烂多彩的极光。与此同时，地球磁场会受到剧烈扰动，产生地磁暴，有可能对人造卫星的正常运行以及导航通讯系统造成严重影响。

目前，全球的空间天气业务部门以及太阳物理研究机构都在密切监测活动区12192的进一步演化。目前在轨运行的几颗观测太阳的卫星以及多数地面太阳望远镜都在对该活动区进行联合监测，这些观测设备包括美国的太阳动力学天文台卫星(SDO)、太阳界面层成像光谱仪卫星(IRIS)、日本的日出卫星(HINODE)，以及美国国家太阳天文台的邓恩太阳望远镜DST、大熊湖天文台的新太阳望远镜(NST)，还有云南天文台的NVST。这些观测资料不仅可用来预报活动区12192未来几天的爆发，为人类航天、通讯、导航等高技术系统的运行提供参考，还将大大助益太阳物理的基础研究。美国大熊湖天文台的监测结果表明，活动区12192有可能继续产生X级耀斑，而产生M级耀斑则是值得期待的。

   
  

图4：根据太阳表面磁场分布重构出来的太阳日冕磁场结构（白线代表磁力线）。背景黑白图是太阳表面的纵向磁场分量，黑色和白色代表磁场的两个不同极性，由SDO飞船上搭载的HMI仪器所测量。活动区12192的磁场结构与下面图5所显示的日冕辐射结构基本相似，与图5、图6中的巨型暗条相比，可以发现，巨型暗条位于活动区上方正负磁极所处区域的分界线附近。图像来源：今日太阳网站http://sdowww.lmsal.com/suntoday/。

   除活动区12192之外，另外一个引人注目的结构就是出现在这个黑子群的上方（北边）的一个巨型暗条，其长度大概有一个太阳半径（70万公里）那么长。在图1的白光照片当中，看不到这个暗条，但是在远紫外波段（图5）和H-alpha波段（6563Å, 图6）的照片上，可以很清晰地看到。出现在远紫外波段（对应高温等离子体）图像上的暗条看上去比出现在H-alpha波段（对应低温等离子体）的暗条要粗很多。这表明，暗条外部的物质温度要高于内部的物质温度；暗条具有外热内冷的结构特征。在上述活动动区频繁产生各类耀斑的期间，这个暗条相对平静，长时间内似乎没有发生过什么变化。但是，暗条最终也会因为其磁场结构发生不稳定性而突然爆发，产生太阳耀斑和CME。象这样一个大尺度的暗条，如果完全爆发出来，也会产生X级别的耀斑和快速的物质抛射，即快CME。如果它在目前这个位置附近发生爆发的话，就非常有可能产生朝向地球而来的CME，最终对地球及空间天气产生剧烈扰动和影响。因此，对这个巨型暗条的监测也同等重要、不能忽视。
      

图5：SDO飞船上搭载的AIA仪器拍摄的太阳远紫外辐射的照片，显示了太阳高层大气——日冕的辐射结构。该图是三个波段的照片合成的，颜色的亮暗大体上代表温度的高低。活动区12192的日冕辐射结构包括中间部分的环状结构和两侧的扇形结构。图像来源：SDO飞船官方网站http://sdo.gsfc.nasa.gov/。	图6：由位于云南天文台凤凰山本部的18厘米全日面色球望远镜于2014年10月25日获得的全日面色球H-alpha单色像。与图4相比，在这个波段上看到的巨型暗条要比紫外波段看到的暗条细很多，说明暗条的结构特征是外热内冷。与图4相对比可以发现，巨型暗条基本上位于正负磁区的分界线附近。右上角的瘢痕是CCD上的脏点。